Summary
Este estudo descreve um protocolo para avaliar a precisão de mira no plano focal de um sistema de fases-matriz guiada por ultra-som ultrasound focalizado de alta intensidade.
Abstract
Phased arrays são cada vez mais usados como transdutores de ultra-som focalizado de alta intensidade (HIFU) em extracorpórea guiada por ultra-som HIFU (USgHIFU) sistemas existentes. Os transdutores HIFU em tais sistemas são geralmente esféricos em forma com um furo central, onde uma sonda de imagem dos EUA é montada e pode ser rodada. A imagem no plano de tratamento pode ser reconstruída através da sequência de imagem adquirida durante a rotação da sonda. Portanto, o plano de tratamento pode ser feito sobre as imagens reconstruídas. A fim de avaliar a precisão de mira no plano focal de tais sistemas, o protocolo de um método usando um bovino músculo e incorporado no marcador fantasma é descrito. No fantasma, quatro esferas contínuas nos cantos de um modelo de resina quadrada servem como os marcadores de referência da imagem reconstruída. O alvo deve ser movido para que tanto o seu centro e o centro do modelo quadrado podem coincidir de acordo com suas posições relativas da imagem reconstruída. Músculo de suínos com uma espessura de cerca de 30 mm é colocado acima do fantasma para imitar o caminho do feixe em situações clínicas. Depois sonication, o plano de tratamento no fantasma é digitalizado e o limite da lesão associada é extraído a partir da imagem digitalizada. A precisão do alvo pode ser avaliada medindo-se a distância entre os centros de destino e a lesão, bem como três parâmetros derivados. Este método só não é possível avaliar a precisão de direcionamento do destino consiste em vários pontos focais ao invés de um único ponto focal em um caminho de feixe clinicamente relevantes do sistema de fases-matriz USgHIFU, mas também pode ser usada na avaliação pré-clínica ou manutenção regular dos sistemas de USgHIFU configurado com transdutor HIFU phased-array ou auto foco.
Introduction
O phased array é cada vez mais concebido e equipado em HIFU sistemas1,2,3,4,5,6,7. Em sistemas de fases-matriz de USgHIFU, uma sonda de imagem dos EUA é geralmente montada no furo central do esférico HIFU transdutor1,2,8. A sonda é rotativo para reconstrução de direcionamento e imagem do espaço tridimensional9. Direcionamento precisos é necessário para a segurança e a eficácia do tratamento de HIFU. No entanto, a maioria dos estudos para a avaliação da precisão de direcionamento foram executada para sistemas HIFU guiada por ressonância magnética ou USgHIFU configurado com um auto foco HIFU transdutor10,11, 12 , 13 , 14 , 15 , 16. o objetivo do método descrito abaixo é para avaliar a precisão de mira no plano focal para sistemas de phased array USgHIFU.
Um fantasma bovina músculo/marcador-incorporado ao longo do caminho do feixe clinicamente relevante é usado na avaliação da precisão direcionamento de um sistema de matriz em fases clínico USgHIFU. Um modelo quadrado com quatro bolas nos cantos é fabricado e incorporado, em combinação com músculo bovino, no fantasma transparente. Um hexágono regular é selecionado como o destino com base nas posições dos centros das quatro esferas identificados na imagem reconstruída E.U. sobre o plano de tratamento. Após sonications de HIFU, o plano de tratamento do fantasma é digitalizado, e o limite da lesão, bem como as posições das quatro esferas, podem ser determinadas na imagem digitalizada. A precisão do alvo pode ser avaliada medindo-se a distância entre os centros de destino e a lesão, bem como três parâmetros derivados.
O método é mais simples do que a medição do erro direcionamento usando movimento robótico com uma referência específica objeto11,17,18 e mais clinicamente relevantes em comparação com o método baseiam em único focal ablação local em um fantasma homogênea10. Esse método pode ser usado na avaliação da exactidão direcionamento dos sistemas de phased array USgHIFU. Ele pode ser usado também para outros sistemas de USgHIFU equipados com transdutores HIFU auto focados.
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Protocol
1. o marcador design e fabricação
- Desenha um quadrado modelo utilizando o software de desenho auxiliado por computador. Defina cada lado como varas com comprimentos de 40 mm e espessura de 2 mm. lugar uma bola sólida com um diâmetro de 10 mm em cada canto do quadrado modelo.
- Use o acrilonitrila butadieno estireno fotossensíveis resina como material para impressão.
- Envie o arquivo de modelo 3D de um fabricante para fabricação.
2. fantasma preparação
- Anexe um cilindro de plástico com (diâmetro de 8 cm) e uma altura de 3 cm para um rodapé de acrílico com gel de silicone, tornar-se um fantasma titular à temperatura ambiente. Deixe descansar por 1 h.
- Fatie o músculo bovino fresco em uma forma quadrada (30 mm x 30 mm, com uma espessura de 10 mm) e ventilar por 2h evaporar a umidade.
- Despeje água desionizada e libertos (115 mL) em um copo, adicione 13G de acrilamida e mexa até dissolver. Adicionar 0,24 g de bis-acrilamida e mexa até dissolver. Em seguida, adicionar 0,2 mL de N, N, N', N'-tempted e misture uniformemente.
Nota: Ponha uma máscara e luvas de borracha. - Prepare-se 5 mL de água desionizada e libertos em outro copo, adicionar 0,3 g de persulfato de amónio e mexa até para dissolver.
Cuidado: Acrilamida, bis-acrilamida, N, N, N', N'-tempted e persulfato de amónio são tóxicos. Preste muita atenção e evitar contato físico. - Sucessivamente despeje 40% das soluções de etapas 2.3 e 2.4 no suporte do fantasma e mexa por 5 s. Deixe a mistura descansar por 20 min solidificar.
- Coloque o modelo quadrado 3D-impresso na superfície do fantasma solidificado e colocar o músculo bovino fatiado no meio do modelo. Despeje o resto da solução da etapa 2.3 no suporte do fantasma. Mova o músculo bovino e para trás para retirar o ar entre a interface do fantasma e a fatia.
- Despeje o resto da solução preparada no passo 2.4 no suporte do fantasma e mexa por 5 s.
- Ajuste a localização da musculatura bovina fatiada ao centro do fantasma na direção transversal. Deixe descansar por 20 min solidificar o fantasma.
- Remova o gel de silicone entre o plástico cilíndrico e o baseboard acrílico, usando uma chave de fenda.
- Lentamente desanexe o baseboard acrílico do plástico cilíndrico.
3. instalação do sistema de USgHIFU
- Inicie o sistema de USgHIFU a clínica.
- Ligar o módulo de processamento de água e definir a velocidade de circulação de água em 80 voltas/min.
- Encha um tanque de água cilíndrica acrílico com (diâmetro de 30 cm) e uma altura de 13 cm com desgaseificado água à temperatura ambiente (22-25 ° C).
- O fantasma titular na água desgaseificada e fixar o suporte firmemente.
- Mova o tanque de água cilíndrica para a cama de tratamento. Levantar da cama de tratamento e mover para baixo a unidade terapêutica para a água desgaseificada.
4. U.S.-interativa segmentação
- Mover a unidade terapêutica lentamente até e para baixo para se certificar de que a profundidade do plano de tratamento está localizada na interface superior do músculo bovino fatiado e transparente fantasma na imagem dos EUA.
- Girar a sonda de imagem dos EUA para 0° e mover o tanque de água cilíndrica para fazer o eixo de rotação (também conhecido como eixo de imagem) passam pelo ponto médio das duas varas paralelas à imagem dos Estados Unidos.
- Girar a imagem sonda a 90° e mover o tanque de água cilíndrica para fazer o eixo de rotação passa pelo ponto médio das duas varas paralelas à imagem dos Estados Unidos.
- Reconstrua a imagem dos EUA no plano de tratamento na profundidade de foco geométrico.
- Verifique se as quatro bolas são claramente demonstradas na imagem dos EUA reconstruído e se o alvo está localizado no centro do modelo quadrado.
Nota: O centro do alvo é predeterminado no centro da imagem reconstruída. A bola é determinada por um círculo com um diâmetro de 10 mm, o valor médio de cinza que é mais alto em uma 15 x 15 mm quadrada. O centro do modelo quadrado é determinado pela diagonal das quatro esferas da imagem reconstruída. - Mova o tanque de água de acordo com a posição relativa entre o alvo e a escadaria quadrada modelo e repetição, 4.4 e 4.5.
- Levante a unidade terapêutica e colocar o músculo de suínos com uma espessura de cerca de 30 mm acima do fantasma. Em seguida, mova para baixo a unidade terapêutica, até a profundidade de foco geométrico é 3 mm abaixo da superfície superior do músculo bovino fatiado.
Nota: A correção focal 3 mm ao longo do caminho do feixe é estimada de acordo com a espessura do músculo de suínos com base na fórmula empírica de um anterior de estudo19.
5. sonication HIFU
- Selecione os seguintes parâmetros de sonication: duração do pulso (400 ms), ciclo de dever (80%), acústico (400 W) de potência e refrigeração de tempo entre o sonication dos sucessivos pontos focais (30 s).
- Defina o tempo de exposição para os pontos focais no destino.
- Repita o procedimento para três alvos concêntricos regulares hexagonais com respectivas diagonais de 5,4 mm, 9 mm e 12,6 mm. tempos de exposição Set de 2.0 s, 2,5 s e 3.0 s para os pontos focais localizados no hexágono interno, médio e externo, respectivamente e 2.0 s para foc Al local no centro geométrico do phased array.
- Inicie o sonication e colocar um pé no pedal do pé para sonication HIFU.
- Observe a mudança de ecogenicidade na imagem dos EUA até os sonications sejam concluídas.
6. a avaliação da precisão segmentação do sistema de phased-array USgHIFU
- Buscar o titular fantasma e pressione suavemente o fantasma para tirá-lo.
- Dividi o fantasma ao longo do plano de tratamento, usando uma faca.
- Digitalize o plano de tratamento do fantasma que contém o músculo bovino fatiado.
- Processar a imagem digitalizada usando o software de matemática e extrair os limites do alvo e lesão.
- Calcule a distância intercenter dc e a máxima superação do limite alvo db.
Nota: dc é a distância entre os centros do alvo e seu respectivo lesão. d b é o máximo de superação a distância entre o limite da lesão e seu respectivo alvo. - Calcular a relação entre as áreas de lesão, dentro e fora do alvo para a área de alvo como ηeu = (SA ∩ SP) / SP e ηO = (SA - SA ∩ SP) / SP, respectivamente.
Nota: SP indica a área-alvo, S.A representa a área de lesão.
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Representative Results
Fizemos os phantoms dedicado para avaliar a precisão de direcionamento de um sistema de matriz em fases clínica USgHIFU com os destinos de três tamanhos diferentes. Figura 1 exibe a imagem dos EUA em ângulos de 0 ° e 90 °. As interfaces são claras, e as varas do modelo quadrado são brilhantes nas imagens dos EUA. A Figura 2 demonstra a imagem dos EUA reconstruído no plano de tratamento e os pontos focais do alvo maior. Os centros das quatro esferas foram determinados nos círculos azuis do mesmo tamanho com o maior valor de cinza em média. A Figura 3 mostra as imagens digitalizadas do plano de tratamento do fantasma e os limites extraídos dos alvos e lesões.
Fomos capazes de avaliar a precisão de mira no plano focal de acordo com os parâmetros de d,c, d,b, ηeue ηO definido na secção 6 do protocolo. Os experimentos foram repetidos três vezes para cada destino. Os resultados são apresentados em tabela 1.
Figura 1 : Imagens dos EUA em ângulos de 0° e 90°. A espessura do músculo suína foi em torno de 30 mm. Distinguem-se as interfaces de tecido-fantasma-tecido ao longo do caminho do feixe. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2 : Reconstruída a imagem dos EUA no plano de tratamento. Os círculos azuis (com o valor mais alto médio cinzento nas praças tracejado vermelho) determinam as posições de quatro bolas e o centro do modelo quadrado, que é também o centro dos alvos (a mancha vermelha). Os quadrados marrons escuros indicam os pontos focais no maior destino regular hexagonal. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3 : Imagens digitalizadas e extraído os limites dos diferentes alvos depois sonication HIFU. (A) lesões dos três alvos com diagonais de 5,4 mm, 9 mm e 12,6 mm da esquerda para a direita. (B) extraído dos três alvos (azuis) e as lesões correspondentes (preto). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| Diagonais de um hexágono regular (mm) | d c (mm) | d b (mm) | Η Eu | Η O |
| 5.4 | 0,6 ± 0,3 | 1.6 ± 0,3 | 100 ± 0% | 45 ± 11% |
| 9.0 | ± 0,9 0,3 | 1,7 ± 0,6 | 98 ± 1% | 40 ± 6% |
| 12.6 | 1,1 ± 0,4 | 1,7 ± 0,7 | 96 ± 3% | 20 ± 6% |
Tabela 1: Resumo dos parâmetros para avaliar a precisão direcionamento. Os valores de d,c, d,b, ηeue ηO foram expressos como média ± desvio-padrão.
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Discussion
Componentes de robóticas têm sido utilizados para sistemas de USgHIFU extracorpóreas. Para avaliar a precisão de alvo de tais sistemas, referência marcadores11,12,18, tecido in-vitro17, tumor-imitar modelos e fantasmas sensíveis à temperatura foram usadas sozinhos ou em combinação 10,20. Comparado com os protocolos nesses estudos, este método é mais clinicamente relevante e torna mais fácil para quantificar o erro direcionamento no plano focal. Combinando o marcador de referência com o fantasma heterogêneo, transparente, esse método foi modificado de outro estudo para avaliar a precisão de direcionamento de um sistema de USgHIFU vista de ablação de tumor de mama21. Podemos ter verificado a eficácia deste método com o nosso sistema de phased-array USgHIFU usado em miomas uterinos no estudo anterior22. Efetuamos testes sem correção focal ao longo do caminho do feixe, e apenas uma pequena parte (~ 2 mm de comprimento) da lesão foi encontrada no músculo bovino fatiado. Após a correção focal com base em fórmula empírica19, a lesão (~ 5 mm de comprimento) foi encontrada no músculo bovino fatiado, que confirmou a melhoria na precisão direcionamento ao longo do caminho do feixe. Além disso, a avaliação de atingir a precisão no plano focal é de valor mais prático em comparação com os métodos que visem a precisão de um único ponto focal para a ablação de tumores sólidos.
A seleção do músculo bovino faz a lesão claramente distinguíveis no tecido circundante em comparação com lesões criadas nos músculos dos suínos ou frango por ablação de HIFU in-vitro. O making of do fantasma transparente bovina músculo/marcador-incorporado é crítico para o protocolo de avaliar a precisão de direcionamento do sistema phased-array USgHIFU. Além disso, a determinação de se coincidam os centros do alvo e o modelo quadrado é essencial no processo de avaliação; assim, a posição do fantasma precisa ser ajustado. O septo branco intramuscular no músculo bovino fatiado faz a segmentação de limiar insuficiente para extrair o limite da lesão de imagem digitalizada; Portanto, a segmentação manual deve ser usada quando necessário.
Ainda existem limitações a este protocolo. Este estudo tem como objetivo para a avaliação de atingir a precisão no plano focal apenas, e é aplicável a sistemas de phased-array USgHIFU. No entanto, para sistemas de USgHIFU com um transdutor de auto foco, passos 4.2-4.4 do protocolo devem ser revistos. A imagem dos EUA no plano de tratamento pode ser reconstruída através das imagens adquiridas, traduzindo a sonda de imagem dos EUA em vez de por rotação, e os outros passos no protocolo permanecem os mesmos. A avaliação precisa de atingir a precisão pode ser útil ao tentar reduzir a margem de segurança e aumentar o volume de ablação, que melhoraria a eficácia do tratamento. Além disso, este método pode ser usado na garantia de qualidade do sistema de condução o HIFU.
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Disclosures
Xiang Ji é um consultor pago para Zhonghui tecnologia médica (Shanghai) Co., Ltd. Os outros autores não têm nada a divulgar.
Acknowledgments
Este trabalho foi apoiado em parte pela Fundação Nacional de ciências naturais da China (81402522), o Shanghai chave tecnologia R & D programa (17441907400), da ciência e tecnologia Comissão do município de Xangai, Shanghai Jiao Tong University Fundo de pesquisa de engenharia médica (YG2017QN40, YG2015ZD10). Tecnologia médica Zhonghui (Shanghai) Co., Ltd. é também reconhecido pelo fornecimento do sistema de USgHIFU. Os autores agradecer Wenzhen Zhu e Junhui Dong para a preparação de fantasma e sua ajuda nos experimentos.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Acrylamide | Amresco | D403-2 | |
| Acrylic baseboard | LAO NIAO STORES | customized | |
| Acrylic cylindrical water tank | LAO NIAO STORES | customized | |
| Ammonium persulfate | Yatai United Chemical Co., Ltd (Wuxi, China) | 2017-03-01 | |
| Beaker | East China Chemical Reagent Instrument Store | ||
| Bis-acrylamide | Amresco | M0172 | |
| Bovine muscle | Market | ||
| Chopping board | JIACHI | JC-ZB40 | |
| Cylindrical plastic phantom holder | QIYINPAI | customized | |
| Degassed deionized water | made by the USgHIFU system | ||
| Electric balance | YINGHENG | 11119453359 | |
| Glass rod | East China Chemical Reagent Instrument Store | ||
| Knife | SHIBAZI | SL1210-C | |
| Mask | Medicom | 2498 | |
| N,N,N’,N’–Tetramethylethylenediamine | Zhanyun Chemical Co., Ltd (Shanghai, China) | ||
| Rubber glove | AMMEX | YZB/MAL 0587-2018 | |
| Scanner | Fuji Xerox | DocuPrint M268dw | |
| Screwdriver | Stanley | T6 | |
| Silica gel | GE | 381 | |
| Square model | QIYINPAI | customized | |
| Stainless steel spoons | East China Chemical Reagent Instrument Store | ||
| Sucker | East China Chemical Reagent Instrument Store | ||
| Swine muscle | Market | ||
| USgHIFU system | Zhonghui Medical Technology (Shanghai) Co., Ltd. | SUA-I |
References
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